太陽(yáng)能系統(tǒng)、風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t聯(lián)合制熱水的節(jié)能效益分析

上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司 施全臻

0 前言

空氣源熱泵技術(shù)是可再生能源應(yīng)用的主要應(yīng)用方向之一。空氣源熱泵熱水機(jī)組的制造、推廣和使用在我國(guó)只是最近10年的事，但由于其相對(duì)于傳統(tǒng)制取熱水設(shè)備的高效節(jié)能、環(huán)保、安全、智能化控制、不占用永久性建筑空間等優(yōu)點(diǎn)而引起了市場(chǎng)日益廣泛的關(guān)注。熱泵熱水機(jī)組以清潔再生原料(空氣+電)為能源，既不使用也不產(chǎn)生對(duì)人體有害的氣體，同時(shí)也減少了溫室效應(yīng)和大氣污染。目前，在我國(guó)電力資源短缺的前提下，采用熱泵熱水機(jī)組制取熱水，即能以最小的電力投入獲得最大的供熱效益。將熱泵熱水機(jī)組放在建筑物的頂層或室外平臺(tái)即可工作。

太陽(yáng)能技術(shù)也是可再生能源應(yīng)用的主要應(yīng)用方向之一。上海地區(qū)的太陽(yáng)能年輻射量近年來平均值為4700MJ/m2，按照太陽(yáng)能資源帶劃分，上海在我國(guó)屬三類地區(qū)，與江蘇、浙江兩地相當(dāng)，具有開發(fā)利用太陽(yáng)能的資源條件。其中各類建筑是利用太陽(yáng)能資源的良好載體，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑一體化是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能資源規(guī)模化利用的重要途徑。太陽(yáng)能是永不枯竭的清潔能源，量大，資源豐富，綠色環(huán)保。但太陽(yáng)能也具有一些缺點(diǎn)：

1)太陽(yáng)能的能流密度低。

2)太陽(yáng)能具有間歇性和波動(dòng)性。太陽(yáng)能的輻照度受氣候條件等各種因素的影響不能維持常量。

3）太陽(yáng)能是一種輻射能，具有即時(shí)性，不易儲(chǔ)存，必須即時(shí)轉(zhuǎn)換成其它形式能量才能利用和儲(chǔ)存。

1 熱水系統(tǒng)應(yīng)用案例

海煙大酒店每天洗浴等熱水日用水量30m3，熱水系統(tǒng)由太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、風(fēng)冷熱泵熱水系統(tǒng)及燃?xì)忮仩t熱水系統(tǒng)組成。其中風(fēng)冷熱泵為海煙大酒店空調(diào)冷源備機(jī)，為提高設(shè)備及能源利用效率，此臺(tái)備機(jī)通過管道閥門切換同時(shí)參與到酒店空調(diào)系統(tǒng)及洗浴熱水系統(tǒng)。平時(shí)制熱水用作洗浴，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)其余設(shè)備故障時(shí)，切換至空調(diào)系統(tǒng)使用。

1）熱水系統(tǒng)簡(jiǎn)介：

海煙大酒店屋頂設(shè)置2個(gè)10m3不銹鋼水箱，分為上水箱與下水箱，上水箱為預(yù)熱水箱，分別與太陽(yáng)能系統(tǒng)、風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)相連，利用太陽(yáng)能及風(fēng)冷熱泵加熱的熱水進(jìn)入上水箱。（風(fēng)冷熱泵通過板式熱交換器間接加熱）。下水箱為用戶水箱與鍋爐系統(tǒng)相連，當(dāng)太陽(yáng)能與風(fēng)冷熱泵不能滿足用熱需求時(shí)開啟鍋爐供熱。

2）鍋爐系統(tǒng)

海煙大酒店鍋爐熱水系統(tǒng)由2臺(tái)力聚ZRQ-25W熱水鍋爐（制熱量為250000kcal/h，燃料為天然氣）通過2臺(tái)熱水泵與酒店下水箱相連。下水箱溫度設(shè)定后，鍋爐自動(dòng)啟停。系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 鍋爐系統(tǒng)圖

3）太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

海煙大酒店太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)由屋頂太陽(yáng)能集熱板、兩臺(tái)熱水循環(huán)泵通過管道與上水箱相連。太陽(yáng)能集熱板品牌為北京天普，集熱面積100m2，系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 太陽(yáng)能系統(tǒng)圖

4）風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)

海煙大酒店風(fēng)冷熱泵熱水系統(tǒng)由特靈RTXA+212風(fēng)冷熱泵（制熱量345kw）通過2臺(tái)熱水循環(huán)泵與板式熱交換器相連，板式熱交換器通過2臺(tái)熱水泵與上水箱相連。系統(tǒng)圖見圖3

圖3 風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)圖

2 各類熱水系統(tǒng)的運(yùn)行成本分析

針對(duì)上述3個(gè)系統(tǒng)，對(duì)各系統(tǒng)的制熱成本作一簡(jiǎn)單分析。因風(fēng)冷熱泵的運(yùn)行成本與電價(jià)有關(guān)，所以分析時(shí)分為白天夜間兩個(gè)時(shí)段。因風(fēng)冷熱泵在冬季制熱效率下降并且蒸發(fā)器表面結(jié)霜，故分析時(shí)分為冬季工況與其它三季工況。海煙大酒店每天熱水負(fù)荷平均為30m3，按此數(shù)據(jù)分析上述3種系統(tǒng)每天制30m3熱水的運(yùn)行成本。太陽(yáng)能系統(tǒng)為一次性投入，運(yùn)行時(shí)基本不需費(fèi)用，故分析時(shí)按其折舊成本計(jì)算。海煙大酒店太陽(yáng)能系統(tǒng)購(gòu)置價(jià)為50萬(wàn)元，其使用壽命一般為15年，故每天折舊費(fèi)用為：

以“對(duì)口幫扶，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，互惠互利，共同發(fā)展”16字方針為指引，兩省市黨委、政府“真情實(shí)意、真金白銀、真抓實(shí)干”推進(jìn)對(duì)口幫扶合作，形成了“政府援助、人才支持、企業(yè)合作、社會(huì)參與”的幫扶工作格局，滬滇幫扶合作漸入佳境。作為重要的橋梁和紐帶，在云南省扶貧辦的大力支持下，云南省投資促進(jìn)局認(rèn)真落實(shí)滬滇對(duì)口幫扶機(jī)制，扎實(shí)開展扶貧攻堅(jiān)工作，推動(dòng)各類扶貧項(xiàng)目落地，組織承辦滬滇經(jīng)濟(jì)合作及投資促進(jìn)活動(dòng)，滬滇經(jīng)濟(jì)合作規(guī)模和領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，滬滇經(jīng)濟(jì)合作呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢(shì)。

50萬(wàn)元/15年×365天=90元。

風(fēng)冷熱泵屬酒店空調(diào)系統(tǒng)備機(jī)，故暫不計(jì)算其折舊值。

熱水鍋爐系統(tǒng)購(gòu)置價(jià)也為50萬(wàn)元，使用壽命一般為15年，故每天折舊費(fèi)用也為90元。

1）春、夏、秋三季工況

運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算公式：

式中N為設(shè)備每天運(yùn)行費(fèi)用，元；

Q為每天酒店熱水負(fù)荷：1.2×106kcal（30m3水，從15℃升溫至55℃）；

q為能源熱值：天然氣為8300kcal/m3，電力為860kcal/kWh；

表1 春夏秋季每天用能經(jīng)濟(jì)分析

表2 冬季每天用能經(jīng)濟(jì)分析

n為設(shè)備熱效率：鍋爐為85%，風(fēng)冷熱泵性能系數(shù)COP為3.5；

f為能源單價(jià)：天然氣3.69元/m3，白天電力為1.2元/kWh，夜間電力為0.4元/kWh。

計(jì)算結(jié)果見表1。

2）冬季工況

因冬季溫度較低，風(fēng)冷熱泵需要除霜。海煙大酒店風(fēng)冷熱泵為2個(gè)壓縮機(jī)2個(gè)冷媒回路，通常在冬季開啟風(fēng)冷熱泵制熱時(shí)，只有一個(gè)冷媒回路在制熱，另一個(gè)冷媒回路在制冷除霜，所以此時(shí)的效率極低，性能系數(shù)COP只有1.5左右。用能分析計(jì)算結(jié)果見表2。

可見，太陽(yáng)能系統(tǒng)是一次性投入，在之后的運(yùn)行過程中基本不需要費(fèi)用，所以應(yīng)該盡可能的利用太陽(yáng)能來節(jié)省酒店的耗能。在春、夏、秋三季，風(fēng)冷熱泵制熱效率較高的前提下，熱泵制熱水的成本白天比燃?xì)忮仩t制熱水低三分之一，晚上比燃?xì)忮仩t低四分之三，所以春、夏、秋季三季應(yīng)盡可能的利用風(fēng)冷熱泵。冬季風(fēng)冷熱泵效率過低，白天電價(jià)高運(yùn)行費(fèi)用較高，所以冬季白天應(yīng)用燃?xì)忮仩t提供酒店熱水。夜間電價(jià)較低，風(fēng)冷熱泵運(yùn)行成本比鍋爐低，可以利用晚間對(duì)水箱進(jìn)行預(yù)熱。

3 運(yùn)行管理

通過上述三個(gè)系統(tǒng)的制熱水運(yùn)行成本分析可以發(fā)現(xiàn)，這三個(gè)系統(tǒng)的成本在春、夏、秋三季時(shí)從低到高依次為太陽(yáng)能系統(tǒng)、風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t系統(tǒng)。冬季從低到高依次為太陽(yáng)能系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t系統(tǒng)、風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)。如何組織好節(jié)能運(yùn)行管理，可遵循以下兩項(xiàng)原則：

一是利用夜間錯(cuò)峰用電開熱泵機(jī)組與板交，減少能耗費(fèi)用。當(dāng)氣溫在10攝氏度以上時(shí)開始試運(yùn)行，按照電能上的峰、谷、平價(jià)格，在晚上10點(diǎn)至次日凌晨6點(diǎn)時(shí)段充分利用階梯電價(jià)的優(yōu)勢(shì)開熱泵制熱水。

二是白天利用太陽(yáng)能蓄熱作為補(bǔ)償，燃?xì)忮仩t作為應(yīng)急使用與冬季使用。白天避開空調(diào)用電高峰時(shí)段，充分使用太陽(yáng)能吸熱制熱水（根據(jù)統(tǒng)計(jì)，春夏秋三季光照充足的天氣下利用太陽(yáng)能的話平均一天可產(chǎn)生51℃的熱水約30m3，基本可以滿足白天的熱水需求）。遇到用水高峰及冬季熱水不夠時(shí)再考慮使用燃?xì)鉄崴疇t應(yīng)急補(bǔ)償。盡量以熱泵和太陽(yáng)能作為制熱水的主要手段，減少熱水爐使用頻率。

按照上述原則，再根據(jù)不同的天氣狀況及上海地區(qū)階梯電價(jià)現(xiàn)狀，上述三種系統(tǒng)應(yīng)有不同組合方式才能實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能運(yùn)行。高效運(yùn)行的組合方式簡(jiǎn)介如下：

l)太陽(yáng)能加熱生活熱水

在夏季日照良好的晴天，由于太陽(yáng)輻射量大并且洗浴熱水溫度較冬季低，此時(shí)太陽(yáng)能系統(tǒng)完全能承擔(dān)用戶所需的熱量，系統(tǒng)按此工況工作，此時(shí)太陽(yáng)能循環(huán)泵的工作由系統(tǒng)控制器根據(jù)太陽(yáng)能集熱器和熱水箱的溫度進(jìn)行控制，源源不斷的利用集熱器采集的熱量輸送到熱水箱，若遇用水高峰，則由燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。

2)夜間風(fēng)冷熱泵制熱，白天依靠太陽(yáng)能加熱生活熱水

在春、秋季節(jié)日照良好的晴天，此時(shí)太陽(yáng)能系統(tǒng)不能完全承擔(dān)熱水箱所需的熱量。由于上海地區(qū)夜間谷電電價(jià)很低，在0.3元～0.5元/kWh左右，所以在夜間用風(fēng)冷熱泵設(shè)備對(duì)2個(gè)10m3水箱水進(jìn)行加熱至用水溫度并保持。白天依靠太陽(yáng)能制熱維持這20m3水溫及另外10m3水的制熱負(fù)荷，若遇用水高峰時(shí)則由燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。

3)夜間風(fēng)冷熱泵制熱，白天依靠太陽(yáng)能及風(fēng)冷熱泵加熱生活熱水

在春、夏、秋季節(jié)陰雨天，此時(shí)太陽(yáng)能系統(tǒng)基本獲取不到很多熱量。由于上海地區(qū)夜間谷電電價(jià)很低，所以在夜間用風(fēng)冷熱泵設(shè)備對(duì)2個(gè)10m3水箱水進(jìn)行加熱至用水溫度并保持。白天通過風(fēng)冷熱泵完成另外10m3熱水的制熱負(fù)荷，此時(shí)太陽(yáng)能系統(tǒng)只作輔助，若遇用水高峰時(shí)則由燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。

4)利用燃?xì)忮仩t制熱水太陽(yáng)能系統(tǒng)作輔助

在冬季天氣寒冷，日照很弱的天氣情況下，當(dāng)環(huán)境溫度低于熱泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度時(shí)，熱泵機(jī)組的制熱效率下降并且蒸發(fā)器表面結(jié)霜，此時(shí)使用風(fēng)冷熱泵制熱水已經(jīng)不經(jīng)濟(jì)并達(dá)不到熱水箱的熱水溫度。所以只能利用燃?xì)忮仩t制熱水，太陽(yáng)能系統(tǒng)作為輔助。

上述四種高效運(yùn)行的組合方式，其熱水系統(tǒng)概述圖見圖4。

4 社會(huì)效益與節(jié)能效益

1）社會(huì)效益

一年三季不開燃?xì)鉄崴疇t能夠有效減少二氧化碳的排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，酒店目前使用的25萬(wàn)kcal燃?xì)鉄崴疇t二氧化碳排放量為每小時(shí)31.33Nm3，按原來平均每天需要開燃?xì)鉄崴疇t8.8小時(shí)算，從今年2月至10月的春夏秋三個(gè)季度，使用熱泵機(jī)組板交制熱水相當(dāng)于減少了二氧化碳排放量7.5萬(wàn)Nm3。

表1 海煙大酒店2011-2012年電費(fèi)對(duì)比

表2 海煙大酒店2011-2012年鍋爐天然氣費(fèi)用對(duì)比

2）經(jīng)濟(jì)效益

表1、表2為海煙大酒店2011年與2012年電費(fèi)及天然氣費(fèi)用臺(tái)賬，酒店天然氣全部用于制熱水用燃?xì)忮仩t，酒店用電量從往年的數(shù)據(jù)上來看基本比較一致。所以從表1、表2中我們可分析看出2012年起，采用太陽(yáng)能系統(tǒng)、風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t聯(lián)合制熱水后酒店用電量及天然氣耗量的變化。從表中我們可以看到由于采用了以風(fēng)冷熱泵加太陽(yáng)能吸熱補(bǔ)償為主制熱水模式，使得燃?xì)鉄崴疇t使用頻率大幅減少，所以2012年用于鍋爐房的天然氣費(fèi)用由2011年的31.12萬(wàn)元降為11.80萬(wàn)元，同比減少了19.32萬(wàn)元；2012年酒店電費(fèi)由2011年的151.25萬(wàn)元上升為165萬(wàn)元，同比增加了13.75萬(wàn)元。綜合核算，改進(jìn)后實(shí)際節(jié)約能源費(fèi)用約5.57萬(wàn)元。

太陽(yáng)能、空氣源熱泵作為可再生能源，在建筑領(lǐng)域的能源利用中發(fā)揮著越來越重要的作用，它們的應(yīng)用是解決我國(guó)能源和環(huán)境問題的重要措施之一。通過本文分析，若能充分使太陽(yáng)能、空氣源熱泵、燃?xì)忮仩t有機(jī)結(jié)合起來，在最經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行，便能得到很好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。